面向节能与环保的机电一体化系统优化路径研究

节能与环保已成为引导制造业转型升级的重要导向，尤其是在“双碳”战略深入推进的背景下，传统工业系统的能耗水平和环境负担面临严峻挑战。作为工业装备的核心组成，机电一体化系统在运行过程中大量消耗电力资源，同时存在集成冗余、控制方式落后等问题，对环境带来间接影响。因此，从源头优化机电系统的设计与控制，提升其能效水平，是实现绿色制造和可持续发展的关键环节。

一、节能与环保视角下的机电一体化系统发展分析

（一）机电一体化系统的基本构成与功能特点

机电一体化系统是机械工程、电气技术、控制技术、计算机技术和信息技术的高度融合，其核心功能是实现对机械设备的自动化、高效化与智能化控制。其基本构成包括执行机构（如伺服电机、液压缸）、传感器（温度、压力、位置、速度等）、控制单元（PLC、DCS、嵌入式系统）、电源模块与通信接口。系统通常通过闭环反馈结构，借助PID、模糊控制、神经网络控制等策略，完成精确的运动控制和状态调节[1]。在工业场景中，机电系统被广泛应用于自动化生产线、数控机床、智能建筑设施及环保设备，其能耗与控制性能直接影响整体系统的节能水平。

（二）节能环保对机电系统提出的新要求

在节能与环保的大趋势下，机电系统必须实现从传统高能耗粗放型向高效低碳型转型。一方面，能源利用效率需显著提升，要求系统具备能量回馈、负载自适应调节、空载节能等能力。以工业伺服系统为例，其控制精度需稳定在 ±0.01mm 以内，同时功率因数应达到0.95 以上，以减少无功损耗。另一方面，对材料与结构的绿色要求也显著提高。系统应采用低碳合金、复合材料（如碳纤维增强塑料 CFRP）替代传统钢材，实现轻量化目标。此外，系统需满足RoHS 和REACH 等环保指令，降低有害物质的使用，提升环境友好性。

（三）当前存在的主要问题与挑战

尽管近年来机电系统在节能控制方面有所进展，但仍面临一系列技术瓶颈。首先，系统构型复杂，集成效率不高，导致资源浪费与功耗叠加。传统PLC 系统控制逻辑冗余严重，响应延迟问题显著。其次，驱动技术升级缓慢，仍以异步电机为主，变频器配置不合理，缺乏动态能耗管理能力。第三，在节能优化算法方面，大多数系统仍停留在经验调参阶段，缺乏基于大数据的动态学习机制。最后，维护策略以定期检修为主，未建立基于状态感知的智能运维体系，导致系统长期运行效率降低。

二、面向节能与环保的机电系统优化策略研究

（一）系统设计层面的绿色优化路径

系统设计阶段是实现节能的关键环节，绿色优化应从模块化设计、材料选型与结构布置三方面入手。模块化设计不仅有助于降低装配能耗，还可通过标准化接口实现系统重构与资源循环使用。例如，采用基于IEC 61499 标准的模块控制逻辑，可提升系统灵活性与重用率。材料方面，应优先选用比强度高、比模量大的轻质材料，如铝镁合金、PPS（聚苯硫醚）工程塑料等，以替代高耗能加工的传统碳钢。结构设计上，借助拓扑优化方法（如SIMP 算法）进行载荷路径优化，降低非承载部位材料冗余，整体结构质量可下降 15% 以上，同时提升热管理能力。

（二）关键技术集成优化

关键节能技术的集成是实现高性能绿色机电系统的核心。首先，在驱动系统中引入伺服直驱技术，替代传统齿轮 + 电机组合，能够减少传动损耗约 10% ，并提升动态响应速度至 10ms 以内；结合矢量控制与无传感器控制技术可进一步优化能耗。其次，采用变频控制（VFD）实现对电机负载的按需供电控制，以提升系统部分负载下的效率，典型应用于空压系统与风机控制中[2]。对于大型设备，可配置能量回馈单元（如双向 IGBT 模块），在制动或减速过程中将动能反馈至电网，节能效率可达 15%-20%, 。同时，系统应集成可再生能源供能模块（如光伏逆变器、风电 MPPT 控制器）与主控系统形成能源协同网络，减少对传统电力的依赖。

（三）智能控制与数据驱动的能效管理

能效优化的核心在于控制策略的智能化与实时化。通过引入边缘计算与工业互联网技术，系统可部署本地能耗采集与分析模块，构建能耗数字孪生模型，实现负载预测与动态调节。例如，在建筑机电系统中，空调、水泵等负载可依据环境参数与人员密度进行模糊逻辑控制，实时调整输出功率，有效降低峰值功耗。控制器方面，采用基于 STM32或TI DSP 的嵌入式主控单元，可提升控制刷新频率至1 kHz 以上，实现更高精度的电流环控制。在高端应用中，借助机器学习算法（如 LSTM模型）对系统负载变化进行预测，并主动调整运行曲线，可提升能效约8%-12% 。

（四）系统运行管理优化路径

在运行阶段，通过构建全生命周期能耗管理平台，实现设备状态监测、能耗分析与优化调度。平台以 SCADA 系统为核心，结合 CMMS维护系统，实现设备故障预测与运维计划自动生成。通过引入功率因数补偿、需量控制策略与阶梯电价响应机制，可实现多设备协同优化调度。以一条智能制造产线为例，通过能效 KPI 驱动的排程系统，可在不影响产能的前提下降低约 10% 的运行电耗。此外，通过实施基于状态的维护（CBM），系统可根据温升、振动等参数判断运行状态，避免不必要的维护操作，延长设备使用寿命并减少维护资源消耗。

三、优化路径应用案例分析与未来趋势展望

（一）典型行业应用实例分析

在制造业中，某汽车零部件加工车间将原有三相异步电机系统升级为伺服电机 + 变频器组合，配合能量回馈模块，整体电耗下降约 18% 。同时通过物联网传感器采集设备运行状态，实现远程监控与智能调度，缩短响应时间 30% 以上。在建筑领域，某绿色建筑项目通过整合 BAS系统与智能照明控制系统，实现照明、空调与电梯运行的协同控制，全年节电率达 22% 。在环保行业中，污水处理厂通过引入智能曝气控制系统，根据 DO（溶解氧）实时数据调节风机运行，实现了约 25% 的能耗降低。

（二）优化路径实施效果评估

从节能效果来看，应用优化路径后系统单位产出能耗普遍下降10%-30% ，系统功率因数显著提高，电网冲击减小。在控制性能方面，设备响应时间、控制精度与可靠性均有明显提升。经济方面，尽管初期投资略高，但通过节能收益与维护成本下降，平均投资回收期在 2-3年之间。环保效益方面，系统运行过程中碳排放显著下降，符合 ISO50001 能源管理体系认证要求。

（三）面向未来的发展趋势与研究方向

未来机电一体化系统的发展将更注重系统间的协同与数据驱动智能化。随着工业 4.0 与双碳目标的推进，基于数字孪生的节能建模与仿真技术将被广泛应用。低功耗高性能器件、新型电力电子模块（如 SiCMOSFET）将在高端设备中加速应用 [3]。此外，绿色制造标准体系与政策激励机制的完善将进一步推动绿色机电系统的大规模落地应用。

总结：

机电一体化系统在节能与环保领域具有广阔的优化空间。通过系统设计、关键技术集成与智能控制的多维协同优化，不仅可显著降低能耗与污染排放，还能提升系统运行效率、控制精度与智能化水平，增强其在复杂工业环境中的适应能力与稳定性，为绿色制造体系构建和工业可持续发展提供坚实的技术支撑与战略保障。

参考文献

[1] 李文畅 . 节能控制技术在机电工程中的应用 [J]. 集成电路应用 ,2025,42(01):188-189.

[2] 郭 红 玉 . 机 电 一 体 化 技 术 的 发 展 与 应 用 [J]. 科 技风 ,2024,(36):1-3.

[3] 张小涛, 邓凤仪. 关于智能制造中机电一体化技术的应用[J].科学咨询 ( 科技·管理 ),2020,(45):140.